JP4834830B2 - Rail molecule fixing method and nano-transport device - Google Patents

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Description

本発明は、レール分子固定方法及びナノ搬送デバイスに関するものである。   The present invention relates to a rail molecule fixing method and a nano transport device.

従来、数ナノメートル〜数十ナノメートルの領域の技術であるナノテクノロジーの分野においては、化学エネルギーを運動に転換することができ、生物界において一般的に見受けられる生体分子モータを利用して工学的なデバイスを作成するための技術に関する研究が行われている。生体分子モータの一種であるキネシン(Kinesin)は、ATP(アデノシン三リン酸)の加水分解に伴い、レール分子の一種である微小管(Microtuble)の上を移動することが知られている(例えば、非特許文献1〜8参照。)。この場合、微小管は極性を有しており、キネシンは微小管のマイナス端側からプラス端側に向けて移動するので、微小管の活性を保ったままで、微小管の極性の向きを所定の方向にする、すなわち、配向することが重要である。
Vale, R.D., Reese, T.S. and sheetz, M.P., "Identification of a novel force-generating protein, kinesin, involved in microtubule-based motility," Cell, vol. 42, pp. 39-50(1985) Howard, J., Hudspeth, A.J. and Vale, R., "Movement of microtubules by single kinesin molecules," Nature, vol. 342, pp. 154-159(1989) Vale, R.D., Funatsu, T., Pierce, D.W., Romberg, L., Harada, Y. and Yanagida, T., "Direct observation of single kinesin molecules moving along microtubules," Nature, vol. 380, pp. 451-453(1996) Svoboda, K., Schmidt, C., Schnapp, B, and Block, S., "Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry," Nature, vol.365, pp.721-727(1993) Nishiyama, M., Muto, E., Inoue, y., Yanagida, T. and Higuchi, H., "Substeps within the 8-nm step of the ATPase cycle of single kinesin molecules," Nat. Cell Biol., vol. 3, pp. 425-428(2001) Meyhofer, E. and Howard, J., "The force generated by a single kinesin molecule against an elastic load," Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., vol. 92, pp.574-578(1995) Coppin, C.M., Pierce, D.W., Hsu, L. and Vale, R.D., "The load dependence of kinesin's mechanical cycle," Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., vol. 94, pp.8539-8544(1997) Kojima, H., Muto, E., Higuchi, H. and Yanagida, T., "Mechanics of Single Kinesin Molecules Measured by Optical Trapping Nanometry," Biophys. J., vol. 73, pp. 2012-2022(1997)
Conventionally, in the field of nanotechnology, which is a technology in the range of several nanometers to several tens of nanometers, chemical energy can be converted into motion, and engineering is performed using biomolecular motors commonly found in the biological world. Research on technology to create a typical device is underway. Kinesin, a type of biomolecular motor, is known to move on microtubules, which are a type of rail molecule, along with the hydrolysis of ATP (adenosine triphosphate) (for example, Non-patent documents 1 to 8). In this case, the microtubule has a polarity, and kinesin moves from the minus end side to the plus end side of the microtubule, so that the microtubule polarity is maintained in a predetermined direction while maintaining the microtubule activity. It is important to be oriented, ie oriented.
Vale, RD, Reese, TS and sheetz, MP, "Identification of a novel force-generating protein, kinesin, involved in microtubule-based motility," Cell, vol. 42, pp. 39-50 (1985) Howard, J., Hudspeth, AJ and Vale, R., "Movement of microtubules by single kinesin molecules," Nature, vol. 342, pp. 154-159 (1989) Vale, RD, Funatsu, T., Pierce, DW, Romberg, L., Harada, Y. and Yanagida, T., "Direct observation of single kinesin molecules moving along microtubules," Nature, vol. 380, pp. 451- 453 (1996) Svoboda, K., Schmidt, C., Schnapp, B, and Block, S., "Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry," Nature, vol. 365, pp. 721-727 (1993) Nishiyama, M., Muto, E., Inoue, y., Yanagida, T. and Higuchi, H., "Substeps within the 8-nm step of the ATPase cycle of single kinesin molecules," Nat. Cell Biol., Vol . 3, pp. 425-428 (2001) Meyhofer, E. and Howard, J., "The force generated by a single kinesin molecule against an elastic load," Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 92, pp. 574-578 (1995) Coppin, CM, Pierce, DW, Hsu, L. and Vale, RD, "The load dependence of kinesin's mechanical cycle," Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 94, pp. 8539-8544 (1997) Kojima, H., Muto, E., Higuchi, H. and Yanagida, T., "Mechanics of Single Kinesin Molecules Measured by Optical Trapping Nanometry," Biophys. J., vol. 73, pp. 2012-2022 (1997)

しかしながら、前記従来の技術は、微小管の配向及び固定をデバイス内全体において行うようになっているので、微小管を固定した後も、固定に使用した試薬を前記デバイス内から完全に除去しなければ、次に使用するキネシンが活性を失ってしまう。すなわち、失活してしまう。そのため、度重なる試薬の交換が必要となり、極めて煩雑になってしまう。   However, since the conventional technique is such that the microtubules are oriented and fixed throughout the device, the reagent used for fixation must be completely removed from the device even after the microtubules are fixed. In this case, the next kinesin loses its activity. That is, it is deactivated. For this reason, repeated reagent replacement is required, which is extremely complicated.

本発明は、前記従来の問題点を解決して、基材上に付着させた生体分子モータによってレール分子を移動させ、所定波長の光を照射することにより前記生体分子モータを失活させてレール分子を固定することによって、試薬を使用することなく、容易に、確実に、レール分子を所定位置において所定方向に配向させて固定することができるレール分子固定方法及びナノ搬送デバイスを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, moves a rail molecule by a biomolecule motor attached on a base material, deactivates the biomolecule motor by irradiating light of a predetermined wavelength, and rails It is intended to provide a rail molecule fixing method and a nano-transport device that can fix a molecule in a predetermined position in a predetermined direction easily and reliably without using a reagent by fixing the molecule. Objective.

そのために、本発明のレール分子固定方法においては、極性を備え、該極性に応じた方向に生体分子モータが移動するレール分子を固定する方法であって、生体分子モータ含有溶液によりコーティングすることによって基材上に生体分子モータを付着させ、レール分子を導入し、ATPを与えることにより、前記生体分子モータによってレール分子を移動させ、前記基材上に形成された配向用チャネル内に前記レール分子を進入させ、該レール分子が所定位置に到達すると、所定波長の光を照射して前記生体分子モータを失活させることにより、前記レール分子を所定方向に配向させて固定する。 Therefore, in the rail molecule immobilization method of the present invention, a method for immobilizing rail molecules having a polarity and moving the biomolecule motor in a direction corresponding to the polarity, which is coated with a solution containing the biomolecule motor. A biomolecule motor is attached on a base material, a rail molecule is introduced, and ATP is applied to move the rail molecule by the biomolecule motor, and the rail molecule is moved into an orientation channel formed on the base material. When the rail molecule reaches a predetermined position, the rail molecule is oriented and fixed in a predetermined direction by irradiating light of a predetermined wavelength to deactivate the biomolecule motor.

本発明の他のレール分子固定方法においては、さらに、前記基材上にチャネル形成部材を接合することによって、前記基材上に配向用チャネルを形成し、該配向用チャネルの一端から前記レール分子を前記配向用チャネル内に進入させ、該配向用チャネル内の所定位置に前記レール分子を固定する。   In another rail molecule fixing method of the present invention, an alignment channel is formed on the substrate by joining a channel forming member on the substrate, and the rail molecule is formed from one end of the alignment channel. Into the alignment channel, and the rail molecules are fixed at predetermined positions in the alignment channel.

本発明の更に他のレール分子固定方法においては、さらに、前記レール分子を固定した後、前記チャネル形成部材を除去する。   In still another rail molecule fixing method of the present invention, the channel forming member is removed after the rail molecules are fixed.

本発明の更に他のレール分子固定方法においては、さらに、前記レール分子は細胞骨格繊維である。   In still another rail molecule fixing method of the present invention, the rail molecule is a cytoskeletal fiber.

本発明の更に他のレール分子固定方法においては、さらに、前記所定波長は420〜500〔nm〕である。   In still another rail molecule fixing method of the present invention, the predetermined wavelength is 420 to 500 [nm].

本発明の更に他のレール分子固定方法においては、さらに、前記光は60秒以上照射する。   In still another rail molecule fixing method of the present invention, the light is irradiated for 60 seconds or more.

本発明の更に他のレール分子固定方法においては、さらに、複数本の前記レール分子を相互に平行に、かつ、同一方向に配向させて固定する。   In still another rail molecule fixing method of the present invention, a plurality of the rail molecules are fixed in parallel with each other and oriented in the same direction.

本発明の更に他のレール分子固定方法においては、さらに、前記レール分子を曲線又は折れ線を形成するように固定する。   In still another rail molecule fixing method of the present invention, the rail molecules are further fixed so as to form a curve or a polygonal line.

本発明のナノ搬送デバイスにおいては、前記レール分子固定方法によって固定されたレール分子と、該レール分子上を該レール分子の極性に応じた方向に移動する生体分子モータとを有し、該生体分子モータが前記レール分子に沿って搬送物を搬送する。   The nano transport device of the present invention includes a rail molecule fixed by the rail molecule fixing method, and a biomolecule motor that moves on the rail molecule in a direction according to the polarity of the rail molecule. A motor conveys a conveyed product along the rail molecule.

本発明のナノ搬送デバイス用のレール分子においては、前記レール分子固定方法によって固定された。   The rail molecule for the nano transport device of the present invention was fixed by the rail molecule fixing method.

本発明によれば、レール分子固定方法においては、極性を備え、該極性に応じた方向に生体分子モータが移動するレール分子を固定する方法であって、生体分子モータ含有溶液によりコーティングすることによって基材上に生体分子モータを付着させ、レール分子を導入し、ATPを与えることにより、前記生体分子モータによってレール分子を移動させ、前記基材上に形成された配向用チャネル内に前記レール分子を進入させ、該レール分子が所定位置に到達すると、所定波長の光を照射して前記生体分子モータを失活させることにより、前記レール分子を所定方向に配向させて固定する。
According to the present invention, in the rail molecule immobilization method, a method is provided for immobilizing a rail molecule having a polarity and moving the biomolecule motor in a direction corresponding to the polarity, and coating with a solution containing the biomolecule motor. A biomolecule motor is attached on a base material, a rail molecule is introduced, and ATP is applied to move the rail molecule by the biomolecule motor, and the rail molecule is moved into an orientation channel formed on the base material. When the rail molecule reaches a predetermined position, the rail molecule is oriented and fixed in a predetermined direction by irradiating light of a predetermined wavelength to deactivate the biomolecule motor.

この場合、試薬を使用することなく、容易に、確実に、レール分子を所定位置において所定方向に配向させて固定することができる。そのため、レール分子上を移動する生体分子モータを所定の方向に移動させることができる。   In this case, the rail molecules can be fixed in a predetermined position in a predetermined direction easily and reliably without using a reagent. Therefore, the biomolecule motor that moves on the rail molecule can be moved in a predetermined direction.

他のレール分子固定方法においては、さらに、前記基材上にチャネル形成部材を接合することによって、前記基材上に配向用チャネルを形成し、該配向用チャネルの一端から前記レール分子を前記配向用チャネル内に進入させ、該配向用チャネル内の所定位置に前記レール分子を固定する。   In another rail molecule fixing method, an orientation channel is formed on the substrate by bonding a channel forming member on the substrate, and the rail molecule is oriented from one end of the orientation channel. The rail molecules are entered into the alignment channel, and the rail molecules are fixed at predetermined positions in the alignment channel.

この場合、レール分子は、所定の極性を備える端を先頭にして配向用チャネル内に進入するので、レール分子を確実に所定方向に配向させて固定することができる。また、配向用チャネルの形状に応じた形状となるようにレール分子を固定することができるので、レール分子上を移動する生体分子モータを任意の形状の経路に沿って移動させることができる。   In this case, since the rail molecule enters the alignment channel with the end having a predetermined polarity at the head, the rail molecule can be reliably aligned and fixed in a predetermined direction. Further, since the rail molecule can be fixed so as to have a shape corresponding to the shape of the orientation channel, the biomolecule motor moving on the rail molecule can be moved along a path of an arbitrary shape.

本発明によれば、ナノ搬送デバイスにおいては、前記レール分子固定方法によって固定されたレール分子と、該レール分子上を該レール分子の極性に応じた方向に移動する生体分子モータとを有し、該生体分子モータが前記レール分子に沿って搬送物を搬送する。   According to the present invention, the nano transport device has a rail molecule fixed by the rail molecule fixing method, and a biomolecular motor that moves on the rail molecule in a direction according to the polarity of the rail molecule, The biomolecule motor conveys a conveyed product along the rail molecules.

この場合、搬送物を所定の方向に搬送することができる。   In this case, the conveyed product can be conveyed in a predetermined direction.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における微小管を固定するナノチャネルの母型を製造する方法を示す図、図2は本発明の実施の形態における微小管を固定するナノチャネルの構成を示す図である。なお、図1(a)〜(d)において、(2)は基板の上面を示し、(1)は(2)のA−B矢視断面を示している。   FIG. 1 is a diagram showing a method for manufacturing a nanochannel matrix for fixing a microtubule in an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a nanochannel for fixing a microtubule in an embodiment of the present invention. It is. 1A to 1D, (2) shows the top surface of the substrate, and (1) shows a cross section taken along the line AB of (2).

図1は、内部にレール分子としての後述される微小管31を所定方向に配向させて固定するための配向用チャネル、すなわち、後述されるナノチャネル29の母型を製造する流れを示している。なお、本実施の形態においては、生体の細胞内において細胞小器官等を輸送する生体分子モータを使用する。生体分子モータは、モータタンパク(モータプロテイン:Motor Protein)とも称されるものであり、極性を有する細胞骨格繊維に結合し、該細胞骨格繊維沿いに一定方向に移動する。そして、細胞内には数十種類の生体分子モータが存在し、本実施の形態における生体分子モータは、いかなる種類のものであってもよく、例えば、ミオシン(Myosin)、ダイニン(Dynein)等であってもよいが、本発明の発明者は、生体分子モータとして後述されるキネシン32を使用して実験を行ったので、ここでは、生体分子モータがキネシン32である場合について説明する。また、生体分子モータが移動するためのレール分子は、細胞内においては、前述のように細胞骨格繊維であり、例えば、アクチンフィラメント(Actin Filament)であってもよいが、本発明の発明者はレール分子として微小管31を使用して実験を行ったので、ここでは、レール分子が微小管31である場合について説明する。   FIG. 1 shows a flow of manufacturing an alignment channel for aligning and fixing a microtubule 31 described later as a rail molecule in a predetermined direction, that is, a matrix of a nanochannel 29 described later. . In the present embodiment, a biomolecular motor that transports organelles and the like in living cells is used. The biomolecular motor is also called a motor protein (Motor Protein), binds to a polar cytoskeletal fiber, and moves in a certain direction along the cytoskeletal fiber. There are dozens of types of biomolecular motors in the cell, and the biomolecular motor in the present embodiment may be of any type, such as myosin, dynein, etc. However, since the inventor of the present invention conducted an experiment using the kinesin 32 described later as the biomolecular motor, here, a case where the biomolecule motor is the kinesin 32 will be described. In addition, the rail molecule for moving the biomolecular motor is a cytoskeletal fiber in the cell as described above, and may be, for example, an actin filament, but the inventor of the present invention Since the experiment was performed using the microtubule 31 as the rail molecule, here, the case where the rail molecule is the microtubule 31 will be described.

ナノチャネル29の母型を製造する場合、まず、Si、SiO2 等から成る母型の基板11上の全面に、電子線レジスト12(例えば、SAL601)を塗布し、電子ビームリソグラフィーによってパターニングを行った。これにより、基板11の上面に、図1(a)に示されるような電子線レジスト12のパターンが形成された。該パターンは、微小管31を固定するナノチャネル29に該当するものである。 In the case of manufacturing the master block of the nanochannel 29, first, an electron beam resist 12 (for example, SAL601) is applied to the entire surface of the master substrate 11 made of Si, SiO 2 or the like, and patterning is performed by electron beam lithography. It was. Thereby, the pattern of the electron beam resist 12 as shown in FIG. 1A was formed on the upper surface of the substrate 11. The pattern corresponds to the nanochannel 29 that fixes the microtubule 31.

続いて、基板11上の全面にUV(紫外線)レジスト13(例えば、S1805)を塗布し、紫外線を使用したフォトリソグラフィーによってパターニングを行った。これにより、基板11の上面に、図1(b)に示されるようなUVレジスト13のパターンが形成された。該パターンは、前記ナノチャネル29が接続される後述されるアクセスチャネル26a及び26bに該当するものである。   Subsequently, a UV (ultraviolet) resist 13 (for example, S1805) was applied to the entire surface of the substrate 11, and patterning was performed by photolithography using ultraviolet rays. Thereby, the pattern of the UV resist 13 as shown in FIG. 1B was formed on the upper surface of the substrate 11. This pattern corresponds to access channels 26a and 26b, which will be described later, to which the nanochannel 29 is connected.

続いて、前記電子線レジスト12及びUVレジスト13をマスクとして、ディープ反応性イオンエッチング(DRIE:Deep Reactive Ion Etching)によって、基板11の表面の周辺部14をエッチングした。これにより、該周辺部14は、図1(c)に示されるように、深さaだけエッチングされた。なお、該深さaは、約4〔μm〕であり、微小管31を固定するナノチャネル29の深さに該当する。   Subsequently, the peripheral portion 14 on the surface of the substrate 11 was etched by deep reactive ion etching (DRIE) using the electron beam resist 12 and the UV resist 13 as a mask. As a result, the peripheral portion 14 was etched by a depth a as shown in FIG. The depth a is about 4 [μm], and corresponds to the depth of the nanochannel 29 that fixes the microtubule 31.

続いて、基板11の表面から電子線レジスト12及びUVレジスト13を除去すると、図1(d)に示されるように、凸部15を有する母型を得ることができた。前記凸部15はナノチャネル29並びに後述されるアクセスチャネル26a及び26bに該当する。そして、基板11の表面を覆うように、PDMS(Polydimethylsiloxane)のプレポリマーを塗布し、該プレポリマーを硬化させた後、剥(はく)離した。これにより、図2(a)に示されるようなPDMSフィルム21を得ることができた。   Subsequently, when the electron beam resist 12 and the UV resist 13 were removed from the surface of the substrate 11, as shown in FIG. 1 (d), a matrix having the convex portions 15 could be obtained. The convex portion 15 corresponds to a nanochannel 29 and access channels 26a and 26b described later. Then, a prepolymer of PDMS (Polydimethylsiloxane) was applied so as to cover the surface of the substrate 11, the prepolymer was cured, and then peeled off. Thereby, the PDMS film 21 as shown in FIG. 2A could be obtained.

図2(a)に示される例においては、PDMSフィルム21の下面の円で囲まれる部分24にナノチャネル29並びにアクセスチャネル26a及び26bが形成されている。そして、PDMSフィルム21を、図2(a)において矢印23で示されるように、Coverslipとして示されている基材としてのガラス板22に密着するように接合(Bonding)させた。なお、ガラス板22はカバー板として機能する。これにより、図2(b)に示されるようなチャネル形成部材を得ることができた。また、図2(a)において矢印25で示される部分は、ナノチャネル29並びにアクセスチャネル26a及び26bに、生理食塩水等から成るバッファ(緩衝液)を注入するための注入孔(こう)、すなわち、Through holes for injectionである。   In the example shown in FIG. 2A, the nanochannel 29 and the access channels 26a and 26b are formed in a portion 24 surrounded by a circle on the lower surface of the PDMS film 21. Then, as shown by an arrow 23 in FIG. 2A, the PDMS film 21 was bonded so as to be in close contact with a glass plate 22 as a base material indicated as Coverslip. The glass plate 22 functions as a cover plate. As a result, a channel forming member as shown in FIG. 2B was obtained. Also, the portion indicated by the arrow 25 in FIG. 2 (a) is an injection hole for injecting a buffer made of physiological saline or the like into the nanochannel 29 and the access channels 26a and 26b. , Through holes for injection.

図2(b)には、前記部分24が拡大して示されている。この場合、図2(b)に示されるように、中央凸部28と、該中央凸部28の両側に位置する周辺凸部27との間に、矢印によって示されるアクセスチャネル26a及び26bが形成されている。なお、図2(b)において、アクセスチャネル26a及び26bは、Main channel(A)及び(B)として示されている。   FIG. 2B shows the portion 24 in an enlarged manner. In this case, as shown in FIG. 2B, access channels 26a and 26b indicated by arrows are formed between the central convex portion 28 and the peripheral convex portions 27 located on both sides of the central convex portion 28. Has been. In FIG. 2B, the access channels 26a and 26b are indicated as Main channels (A) and (B).

また、中央凸部28には、複数のナノチャネル29が形成されている。図2(b)において、ナノチャネル29は、Nanoscale sub−channel(s)として示されている。ナノチャネル29は、その両端がアクセスチャネル26a及び26bに各々接続され、アクセスチャネル26a及び26bと同一の深さを備える。該深さは、前述のように、約4〔μm〕である。   A plurality of nanochannels 29 are formed in the central convex portion 28. In FIG. 2 (b), the nanochannel 29 is shown as Nanoscale sub-channel (s). The nanochannel 29 has both ends connected to the access channels 26a and 26b, respectively, and has the same depth as the access channels 26a and 26b. The depth is about 4 [μm] as described above.

図2(c)は、PDMSフィルム21の下面の円で囲まれる部分24を観察した走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)の写真である。写真の上下にアクセスチャネル26a及び26bが観察され、中央部にナノチャネル29が観察される。この場合、ナノチャネル29の長さは50〔μm〕、幅は500〜2000〔nm〕、高さは4〔μm〕である。   FIG. 2C is a photograph of a scanning electron microscope (SEM) in which a portion 24 surrounded by a circle on the lower surface of the PDMS film 21 is observed. Access channels 26a and 26b are observed above and below the photograph, and a nanochannel 29 is observed in the center. In this case, the length of the nanochannel 29 is 50 [μm], the width is 500 to 2000 [nm], and the height is 4 [μm].

また、図2(d)は蛍光色素を使用して可視化したナノチャネル29を示している。PDMSフィルム21にガラス板22に密着するように接合させた後、注入孔からバッファを注入すると、毛細管現象によってナノチャネル29内にバッファが導入される。濃度10〔mM〕のテトラメチルローダミン(Tetramethly rhodamine)を用いて、ナノチャネル29を蛍光色素によって可視化したものが図2(d)である。図2(d)において、右側の細いナノチャネル29の幅は500〔nm〕であり、左側の太いナノチャネル29の幅は750〔nm〕である。   FIG. 2D shows the nanochannel 29 visualized using a fluorescent dye. After joining the PDMS film 21 so as to be in close contact with the glass plate 22, when the buffer is injected from the injection hole, the buffer is introduced into the nanochannel 29 by capillary action. FIG. 2D shows the nanochannel 29 visualized with a fluorescent dye using tetramethylrhodamine having a concentration of 10 [mM]. In FIG. 2D, the width of the narrow nanochannel 29 on the right side is 500 [nm], and the width of the thick nanochannel 29 on the left side is 750 [nm].

次に、所定波長の光を照射することによって微小管31を固定する方法について説明する。   Next, a method for fixing the microtubule 31 by irradiating light of a predetermined wavelength will be described.

図3は本発明の実施の形態における微小管及びキネシンを示す模式図、図4は本発明の実施の形態における照射光の波長とキネシンの失活との関係を示す図、図5は本発明の実施の形態における光の照射時間と微小管の動きとの関係を示す図、図6は本発明の実施の形態における光の照射時間と微小管の動きとの関係を示す写真である。   FIG. 3 is a schematic diagram showing microtubules and kinesin in the embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the wavelength of irradiation light and the inactivation of kinesin in the embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 6 is a photograph showing the relationship between the light irradiation time and the movement of the microtubule in the embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a photograph showing the relationship between the light irradiation time and the movement of the microtubule in the embodiment of the present invention.

図3において、31はレール分子としての微小管であり、32は該微小管31に沿って移動するリニア駆動の生体分子モータとしてのキネシンである。そして、微小管31は、3種類存在する細胞骨格繊維の1つであり、モノマーであるチューブリン(Tubulin)を重合することによって得られる直径25〔nm〕、長さ数十〔μm〕の円筒状構造を備えるフィラメント、すなわち、繊維である。なお、チューブリンは、α−チューブリン及びβ−チューブリンという2個の球状ポリペプチドが、非共有結合によって固く結合したヘテロ二量体である。   In FIG. 3, 31 is a microtubule as a rail molecule, and 32 is a kinesin as a linear drive biomolecule motor that moves along the microtubule 31. The microtubule 31 is one of three types of cytoskeletal fibers, and is a cylinder having a diameter of 25 nm and a length of several tens of μm obtained by polymerizing tubulin as a monomer. It is a filament provided with a structure, that is, a fiber. Tubulin is a heterodimer in which two globular polypeptides, α-tubulin and β-tubulin, are tightly bound by noncovalent bonds.

また、微小管31は極性を有し、一方の端(図3における左端)がプラス端であり、他方の端(図3における右端)がマイナス端である。プラス端とマイナス端とは、微小管31を構成するサブユニットであるチューブリンが重合する速度によって識別され、重合する速度が高く、速く伸長する端がプラス端と呼ばれ、重合する速度が低く、ゆっくりと伸長する端がマイナス端と呼ばれる。   Further, the microtubule 31 has polarity, and one end (left end in FIG. 3) is a plus end, and the other end (right end in FIG. 3) is a minus end. The positive end and the negative end are identified by the rate at which tubulin, a subunit constituting the microtubule 31, is polymerized, and the rate at which polymerization is high is called the positive end. The end that slowly extends is called the minus end.

一方、キネシン32は、ヘッド(頭)部が10〔nm〕、全長が80〔nm〕程度のタンパク分子である。そして、2個の球形のヘッド部と細長いより合わせコイル部とを有し、ヘッド部が微小管31への付着と解離とを交互に繰り返すことによって、両手で繊維を手繰るように、1歩ずつ前進する。この場合、キネシン32の運動は、8〔nm〕のステップから成り、最大速度が800〔nm/s〕程度であり、図3において矢印で示されるように、微小管31上をマイナス端側からプラス端側に向けて移動する。また、キネシン32の発生力は5〜8〔pN〕である。   On the other hand, kinesin 32 is a protein molecule having a head portion of about 10 nm and a total length of about 80 nm. And it has two spherical head parts and an elongated twisted coil part, and the head part alternately repeats the attachment and dissociation to the microtubules 31 so that the fibers can be handled with both hands. Move forward step by step. In this case, the motion of the kinesin 32 consists of 8 [nm] steps, and the maximum velocity is about 800 [nm / s]. As shown by the arrows in FIG. 3, the microtubule 31 is moved from the minus end side. Move toward the positive end. The generative force of kinesin 32 is 5 to 8 [pN].

本実施の形態においては、所定波長の光を照射することによってキネシン32を失活させることにより、微小管31をキネシン32によって固定する方法を採用した。該方法においては、まず、基材の表面に多数のキネシン32を固定する。ここに微小管31を導入して、ATPを与えるとキネシン32の生体分子モータとしての作用によって、微小管31が動き出す。すなわち、基材の表面に固定されたキネシン32が微小管31上を移動するので、微小管31が基材等の表面を移動することになる。そして、該微小管31が所望の位置に到達すると、所定波長の光を照射する。これにより、キネシン32は、失活し、該キネシン32のヘッド部に微小管31が付着した状態で、動きを停止する。そのため、微小管31が停止する。この場合、キネシン32のヘッド部が微小管31に付着した状態を維持するので、微小管31が固定される。   In the present embodiment, a method of fixing the microtubule 31 with the kinesin 32 by inactivating the kinesin 32 by irradiating with light of a predetermined wavelength is adopted. In this method, first, a large number of kinesins 32 are fixed to the surface of the substrate. When the microtubule 31 is introduced here and ATP is given, the microtubule 31 starts to move by the action of the kinesin 32 as a biomolecular motor. That is, since the kinesin 32 fixed on the surface of the base material moves on the microtubule 31, the microtubule 31 moves on the surface of the base material or the like. When the microtubule 31 reaches a desired position, light having a predetermined wavelength is irradiated. As a result, the kinesin 32 is deactivated and stops moving while the microtubule 31 is attached to the head portion of the kinesin 32. Therefore, the microtubule 31 stops. In this case, the head portion of the kinesin 32 is maintained attached to the microtubule 31, so that the microtubule 31 is fixed.

本発明の発明者は、実験によって、前記所定波長が420〜500〔nm〕であることを見出した。具体的には、4種類の光フィルタを組み合わせて実験を行った結果、図4(a)に示されるような結果を得ることができた。前記4種類の光フィルタは、次の(1)〜(4)である。
(1)L42:波長が420〔nm〕以下の光をカットするUVカットフィルタ
(2)ロボン:波長が800〔nm〕以上の光をカットする赤外光カットフィルタ
(3)IF550:波長が500〜600〔nm〕の光を透過させるバンドパスフィルタ
(4)Y50:波長が500〔nm〕以下の光をカットするフィルタ
そして、図4(b)は、(1)〜(4)の4種類の光フィルタが透過する光の波長の関係を示している。なお、図4(b)において、横軸には波長を採ってある。
The inventor of the present invention has found through experiments that the predetermined wavelength is 420 to 500 [nm]. Specifically, as a result of experiments conducted by combining four types of optical filters, results as shown in FIG. 4A could be obtained. The four types of optical filters are the following (1) to (4).
(1) L42: UV cut filter for cutting light with a wavelength of 420 [nm] or less (2) Robon: Infrared light cut filter for cutting light with a wavelength of 800 [nm] or more (3) IF550: wavelength of 500 Bandpass filter that transmits light of ˜600 [nm] (4) Y50: a filter that cuts light having a wavelength of 500 [nm] or less FIG. 4B shows four types of (1) to (4) The relationship of the wavelength of the light which the optical filter permeate | transmits is shown. In FIG. 4B, the horizontal axis indicates the wavelength.

また、前記実験は、グライディングアッセイ(in vitro gliding assay)中に、組み合わされた光フィルタを透過した水銀ランプの光を照射することによって、キネシン32を失活させ、微小管31の動きを停止させるものである。グライディングアッセイは、カバーガラス2枚又はカバーガラスとスライドガラスとを用いて制作したフローセル内で行った。この場合、該フローセル内にキネシン32のテール側(図3における上側)をガラス上に固定すると、ATPを加水分解する際にヘッド側(図3における下側)が微小管31を動かす。そして、前記光を照射することによってキネシン32の生体分子モータとしての動きが停止すると、微小管31の動きが停止する。   In addition, in the experiment, the kinesin 32 is deactivated and the movement of the microtubule 31 is stopped by irradiating light from a mercury lamp that has passed through the combined optical filter during an in vitro gliding assay. Is. The gliding assay was performed in a flow cell produced using two cover glasses or a cover glass and a slide glass. In this case, if the tail side (upper side in FIG. 3) of kinesin 32 is fixed on the glass in the flow cell, the head side (lower side in FIG. 3) moves the microtubule 31 when ATP is hydrolyzed. When the movement of the kinesin 32 as a biomolecular motor is stopped by irradiating the light, the movement of the microtubule 31 is stopped.

前記実験において、まず、図4(a)の左欄に示されるように、(1)〜(4)の4種類の光フィルタをすべて透過した水銀ランプの光を照射し、照射の前後における微小管31の動きを観察した。この場合、生体分子モータとしてのキネシン32は動きを継続し、停止しなかった。そして、図4(b)から、(1)〜(4)の4種類の光フィルタをすべて透過して照射された光の波長は、500〜600〔nm〕であることが分かる。   In the experiment, first, as shown in the left column of FIG. 4 (a), the light of a mercury lamp that passed through all four types of optical filters (1) to (4) was irradiated, and a minute amount before and after the irradiation. The movement of the tube 31 was observed. In this case, kinesin 32 as a biomolecular motor continued to move and did not stop. 4B shows that the wavelength of light irradiated through all four types of optical filters (1) to (4) is 500 to 600 [nm].

次に、図4(a)の中欄に示されるように、(1)及び(2)の2種類の光フィルタを透過した水銀ランプの光を照射し、照射の前後における微小管31の動きを観察した。この場合、生体分子モータとしてのキネシン32は動きを停止した。そして、図4(b)から、(1)及び(2)の2種類の光フィルタを透過して照射された光の波長は、420〜800〔nm〕であることが分かる。   Next, as shown in the middle column of FIG. 4A, the light of the mercury lamp that has passed through the two types of optical filters (1) and (2) is irradiated, and the movement of the microtubule 31 before and after the irradiation. Was observed. In this case, kinesin 32 as a biomolecular motor stopped moving. 4B shows that the wavelength of the light irradiated through the two types of optical filters (1) and (2) is 420 to 800 [nm].

最後に、図4(a)の右欄に示されるように、(1)、(2)及び(4)の3種類の光フィルタを透過した水銀ランプの光を照射し、照射の前後における微小管31の動きを観察した。この場合、生体分子モータとしてのキネシン32は動きを継続し、停止しなかった。そして、図4(b)から、(1)、(2)及び(4)の3種類の光フィルタを透過して照射された光の波長は、500〜800〔nm〕であることが分かる。   Finally, as shown in the right column of FIG. 4A, the light of the mercury lamp that has passed through the three types of optical filters (1), (2), and (4) is irradiated, and a minute amount before and after the irradiation. The movement of the tube 31 was observed. In this case, kinesin 32 as a biomolecular motor continued to move and did not stop. 4B shows that the wavelength of the light irradiated through the three types of optical filters (1), (2), and (4) is 500 to 800 [nm].

このような実験により、前述のように、キネシン32を失活させる光の所定波長が420〜500〔nm〕であることを見出した。そこで、本発明の発明者は、キネシン32を失活させるために、波長が420〜500〔nm〕の光として、(1)及び(2)の2種類の光フィルタを透過した水銀ランプの光を使用することとした。   As a result of such experiments, it was found that the predetermined wavelength of light for inactivating kinesin 32 is 420 to 500 [nm] as described above. Therefore, the inventor of the present invention uses the light of the mercury lamp that has passed through the two types of optical filters (1) and (2) as light having a wavelength of 420 to 500 [nm] in order to deactivate kinesin 32. It was decided to use.

続いて、本発明の発明者は、更なる実験により、キネシン32を失活させるために必要な光の照射時間が60秒以上であることを見出した。具体的には、前述のキネシン32を失活させる光の波長を見出すための実験と同様に、グライディングアッセイ中に、波長が420〜500〔nm〕の水銀ランプの光を照射することによって、キネシン32を失活させ、微小管31の動きを停止させる実験を行った。この場合、前記グライディングアッセイ中に100〔W〕の水銀ランプの光を照射する時間を10秒から90秒まで変化させ、照射の前後における微小管31の動きを観察した。   Subsequently, the inventor of the present invention has found through further experiments that the irradiation time of light necessary for inactivating kinesin 32 is 60 seconds or more. Specifically, in the same manner as in the experiment for finding the wavelength of light that deactivates kinesin 32 described above, by irradiation with light from a mercury lamp having a wavelength of 420 to 500 [nm] during the gliding assay, kinesin An experiment was conducted to deactivate 32 and stop the movement of the microtubule 31. In this case, during the gliding assay, the irradiation time of the light from the mercury lamp of 100 [W] was changed from 10 seconds to 90 seconds, and the movement of the microtubule 31 before and after the irradiation was observed.

そして、キネシン32を失活させるために必要な水銀ランプの光の照射時間を見出すための実験の結果は、図5に示されている。図5は、水銀ランプの光の照射時間と微小管31の動きとの関係を示し、横軸に水銀ランプの光の照射時間を採り、縦軸に動いている微小管31の割合を採ってある。なお、図5において、●は照射の前の状態を示し、■は照射の後の状態を示している。そして、図5から、水銀ランプの光の照射時間が60秒以上であれば、キネシン32を失活させ、すべての微小管31の動きを停止させることができると言える。そこで、本発明の発明者は、キネシン32を失活させるために、前記波長の水銀ランプの光を60秒以上照射することとした。   And the result of the experiment for finding the irradiation time of the light of a mercury lamp required in order to deactivate kinesin 32 is shown by FIG. FIG. 5 shows the relationship between the light irradiation time of the mercury lamp and the movement of the microtubule 31, where the horizontal axis represents the light irradiation time of the mercury lamp and the vertical axis represents the proportion of the microtube 31 moving. is there. In FIG. 5, ● indicates the state before irradiation, and ■ indicates the state after irradiation. From FIG. 5, it can be said that if the irradiation time of the light from the mercury lamp is 60 seconds or more, the kinesin 32 can be deactivated and the movement of all the microtubules 31 can be stopped. Therefore, the inventor of the present invention decided to irradiate the mercury lamp light having the above wavelength for 60 seconds or more in order to deactivate the kinesin 32.

また、暗視野顕微鏡によって、波長420〜500〔nm〕の水銀ランプの光を照射し、照射前後の微小管31の動きを観察することができた。この観察の結果が図6に示されている。図6は、照射前後におけるグライディングアッセイ中の微小管31の動きを示す暗視野顕微鏡写真である。ここで、図6(1)〜(3)は、照射前のものであり、微小管31が動いていることを示している。その後、前記波長の水銀ランプの光を40秒間照射して、キネシン32を失活させたところ、図6(4)〜(6)に示されるように、微小管31の動きが停止し、固定された。   Moreover, the light of the mercury lamp of wavelength 420-500 [nm] was irradiated with the dark field microscope, and the movement of the microtubule 31 before and after irradiation could be observed. The result of this observation is shown in FIG. FIG. 6 is a dark-field micrograph showing the movement of the microtubule 31 during the gliding assay before and after irradiation. Here, FIGS. 6 (1) to (3) are before irradiation and show that the microtubule 31 is moving. After that, when the kinesin 32 was deactivated by irradiating light of a mercury lamp having the above wavelength for 40 seconds, as shown in FIGS. 6 (4) to (6), the movement of the microtubule 31 was stopped and fixed. It was done.

このように、波長420〜500〔nm〕の水銀ランプの光を照射することによって、微小管31の動きが停止して固定されるのは、ガラス上に固定してあるキネシン32が失活するためである。もっとも、失活したキネシン32が微小管31との結合を解離してしまうと、微小管31を固定することができない。しかし、キネシン32は波長420〜500〔nm〕の光の照射によって失活しても微小管31との結合を保つため、前記波長の光を照射した場所に微小管31が固定されることが分かった。   In this way, by irradiating with light from a mercury lamp having a wavelength of 420 to 500 [nm], the movement of the microtubule 31 is stopped and fixed because the kinesin 32 fixed on the glass is deactivated. Because. However, if the deactivated kinesin 32 dissociates the bond with the microtubule 31, the microtubule 31 cannot be fixed. However, since the kinesin 32 maintains the bond with the microtubule 31 even if it is deactivated by irradiation with light having a wavelength of 420 to 500 [nm], the microtubule 31 may be fixed at the place irradiated with the light having the wavelength. I understood.

そして、波長420〜500〔nm〕の光を照射することによって微小管を固定する方法には、次のような利点がある。図3に示されるように、キネシン32は微小管31上をマイナス端側からプラス端側に向けて移動するので、グライディングアッセイ中に動いている微小管31の先端はマイナス端となる。そこで、動いている微小管31を暗視野顕微鏡写真によって可視化しながら固定することによって、極性が明らかな状態で微小管31を固定することができる。すなわち、配向した状態で固定することができる。そして、極性が明らかな配向した状態で固定された微小管31上を移動するキネシン32によって物質の搬送を行えば、その搬送方向は明らかである。   And the method of fixing a microtubule by irradiating light with a wavelength of 420 to 500 [nm] has the following advantages. As shown in FIG. 3, since kinesin 32 moves on the microtubule 31 from the minus end side toward the plus end side, the tip of the microtubule 31 moving during the gliding assay becomes the minus end. Therefore, by fixing the moving microtubule 31 while being visualized by a dark field micrograph, the microtubule 31 can be fixed in a state where the polarity is clear. That is, it can be fixed in an oriented state. And if a substance is conveyed by the kinesin 32 which moves on the microtubule 31 fixed in the state in which the polarity is clear, the conveyance direction is clear.

また、波長420〜500〔nm〕の光を照射することによって局所的に微小管31を固定することもできる。例えば、フォトリソグラフィのように、マスクを用いて特定の領域に前記波長の光を照射する。キネシン32は光の照射を受けた部分だけで失活するので、前記特定の領域にある微小管31だけを固定することができる。   Moreover, the microtubule 31 can be locally fixed by irradiating light with a wavelength of 420 to 500 [nm]. For example, as in photolithography, a specific region is irradiated with light of the wavelength using a mask. Since the kinesin 32 is deactivated only in the portion irradiated with light, only the microtubule 31 in the specific region can be fixed.

このように、レール分子としての微小管31が所定位置に到達すると、前記波長の光を照射して生体分子としてのキネシン32を失活させることによって、微小管31を所定方向に配向させて固定することができる。これにより、例えば、図2(b)に示されるようなチャネル形成部材によって形成されるナノチャネル29内にのみ、微小管31を極性が明らかな状態で固定することができる。   Thus, when the microtubule 31 as a rail molecule reaches a predetermined position, the microtubule 31 is oriented and fixed in a predetermined direction by irradiating the light of the wavelength to deactivate the kinesin 32 as a biomolecule. can do. Thereby, for example, the microtubule 31 can be fixed in a state where the polarity is clear only in the nanochannel 29 formed by the channel forming member as shown in FIG.

次に、微小管31をナノチャネル29内に固定する方法について説明する。   Next, a method for fixing the microtubule 31 in the nanochannel 29 will be described.

図7は本発明の実施の形態における微小管をナノチャネル内に固定する方法を示す図、図8は本発明の実施の形態におけるナノチャネル内に微小管が導入する様子を示す写真、図9は本発明の実施の形態におけるナノチャネル内の微小管上を移動するビーズの様子を示す写真である。   FIG. 7 is a view showing a method for fixing a microtubule in a nanochannel according to the embodiment of the present invention, FIG. 8 is a photograph showing a state in which the microtubule is introduced into the nanochannel according to the embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a photograph showing a state of beads moving on a microtubule in a nanochannel according to an embodiment of the present invention.

ここでは、図7に示されるような試験用のユニット35におけるナノチャネル29内に微小管31を配向した状態で導入して固定する方法について説明する。この場合、前記ユニット35は、図2(a)に示されるように、基材としてのガラス板22にチャネル形成部材としてのPDMSフィルム21を密着するように接合させて構成されたものである。そして、図7は、図2(b)に示されるようなチャネル形成部材の上面にガラス板22を接合したものを反転させ、中央凸部28と周辺凸部27とを残して、上側のPDMSフィルム21を除去したような状態を示している。   Here, a method of introducing and fixing the microtubule 31 in the nanochannel 29 in the test unit 35 as shown in FIG. 7 in an oriented state will be described. In this case, as shown in FIG. 2A, the unit 35 is configured by bonding a PDMS film 21 as a channel forming member to a glass plate 22 as a base material so as to be in close contact with each other. FIG. 7 is a plan view of the upper PDMS with the central convex portion 28 and the peripheral convex portion 27 remaining, with the glass plate 22 bonded to the upper surface of the channel forming member as shown in FIG. The state where the film 21 is removed is shown.

なお、配向用チャネルとしてのナノチャネル29は、ガラス板22に接合されたチャネル形成部材の一部である中央凸部28によって、複数形成されている。また、中央凸部28と、該中央凸部28の両側に位置する周辺凸部27との間に、矢印によって示されるアクセスチャネル26a及び26bが形成されている。なお、図7において、アクセスチャネル26a及び26bは、Main channel(A)及び(B)として示されている。また、ナノチャネル29の底面はガラス板22の上面によって構成されている。   Note that a plurality of nanochannels 29 as alignment channels are formed by central protrusions 28 that are part of the channel forming member bonded to the glass plate 22. Access channels 26a and 26b indicated by arrows are formed between the central convex portion 28 and the peripheral convex portions 27 located on both sides of the central convex portion 28. In FIG. 7, the access channels 26a and 26b are indicated as Main channels (A) and (B). The bottom surface of the nanochannel 29 is constituted by the top surface of the glass plate 22.

そして、キネシン32を含む溶液で前記ユニット35におけるチャネル、すなわち、アクセスチャネル26a及び26bとナノチャネル29とを満たし、ガラス板22の上面をキネシン32でコーティングする。続いて、微小管31をアクセスチャネル26aから導入すると、図7(1)に示されるように、微小管31はアクセスチャネル26a内のキネシン32によって捉えられる。   Then, the channel in the unit 35, that is, the access channels 26 a and 26 b and the nanochannel 29 is filled with a solution containing kinesin 32, and the upper surface of the glass plate 22 is coated with kinesin 32. Subsequently, when the microtubule 31 is introduced from the access channel 26a, the microtubule 31 is captured by the kinesin 32 in the access channel 26a as shown in FIG.

図7において、微小管31は太い矢印で示され、矢印の先端がマイナス端であり、後端がプラス端である。ここで、微小管31に剛性があり、また、アクセスチャネル26aの幅とナノチャネル29の幅とに違いがあるので、図7(1)に示されるように、微小管31はナノチャネル29に入らず、アクセスチャネル26a内においてのみガラス板22の上面に付着する。   In FIG. 7, the microtubule 31 is indicated by a thick arrow, the tip of the arrow is a minus end, and the rear end is a plus end. Here, since the microtubule 31 is rigid and there is a difference between the width of the access channel 26a and the width of the nanochannel 29, the microtubule 31 is formed in the nanochannel 29 as shown in FIG. It does not enter and adheres to the upper surface of the glass plate 22 only in the access channel 26a.

続いて、アクセスチャネル26aから濃度1〔mM〕のATPを加えると、キネシン32は、ATPの加水分解に伴い微小管31上を移動する。そのため、微小管31がガラス板22の上面に固定されたキネシン32によって搬送され、図7(2)に示されるように、確率的にナノチャネル29内に進入する。この場合、アクセスチャネル26a及びナノチャネル29の幅、微小管31の濃度、並びに、アッセイ時間を変化させることによって、1本のナノチャネル29(例えば、幅500〔nm〕)にほぼ1本の微小管31が進入するように最適化される。なお、前述のように、キネシン32が微小管31上をマイナス端側からプラス端側に向けて移動するので、微小管31は矢印の示す方向に移動する。   Subsequently, when ATP with a concentration of 1 [mM] is added from the access channel 26a, the kinesin 32 moves on the microtubule 31 along with the hydrolysis of ATP. Therefore, the microtubule 31 is transported by the kinesin 32 fixed to the upper surface of the glass plate 22 and probably enters the nanochannel 29 as shown in FIG. In this case, by changing the width of the access channel 26a and the nanochannel 29, the concentration of the microtubule 31, and the assay time, approximately one minute in one nanochannel 29 (for example, a width of 500 [nm]). Optimized for tube 31 to enter. As described above, since kinesin 32 moves on the microtubule 31 from the minus end side toward the plus end side, the microtubule 31 moves in the direction indicated by the arrow.

そして、微小管31がナノチャネル29内に進入した時に波長420〜500〔nm〕の水銀ランプの光を照射することによって、キネシン32が失活し、微小管31が固定される。そのため、図7(3)に示されるように、ナノチャネル29内に極性が明らかな配向した状態で微小管31を固定することができる。これにより、レール分子としての微小管31が配向した状態で固定されたナノ搬送デバイスを得ることができる。   Then, when the microtubule 31 enters the nanochannel 29, irradiation with light from a mercury lamp having a wavelength of 420 to 500 [nm] causes the kinesin 32 to be deactivated and the microtubule 31 is fixed. Therefore, as shown in FIG. 7 (3), the microtubule 31 can be fixed in a state in which the polarity is clearly aligned in the nanochannel 29. Thereby, the nano conveyance device fixed in the state where the microtubule 31 as the rail molecule is oriented can be obtained.

続いて、図7(4)に示されるように、アクセスチャネル26bからキネシンビーズ36を導入して濃度1〔mM〕のATPを加えると、微小管31にアクセスしたキネシンビーズ36は、アクセスチャネル26aに向かって搬送される。ここで、キネシンビーズ36は、表面にキネシン32をコーティングしたポリスチレンビーズ(直径320〔nm〕、Bangs Lab.)であり、該ポリスチレンビーズとキネシン32とを混合してインキュベートすることによって得ることができた。この場合、キネシンビーズ36に固定されたキネシン32が微小管31上を移動することによって、該微小管31のマイナス端からプラス端に向けて、搬送物としてのキネシンビーズ36が搬送されることになる。   Subsequently, as shown in FIG. 7 (4), when the kinesin beads 36 are introduced from the access channel 26b and ATP having a concentration of 1 [mM] is added, the kinesin beads 36 that have accessed the microtubule 31 are transferred to the access channel 26a. It is conveyed toward. Here, the kinesin beads 36 are polystyrene beads (diameter 320 [nm], Bangs Lab.) Coated with kinesin 32 on the surface, and can be obtained by mixing and incubating the polystyrene beads and kinesin 32. It was. In this case, when the kinesin 32 fixed to the kinesin bead 36 moves on the microtubule 31, the kinesin bead 36 as a transported object is transported from the minus end to the plus end of the microtubule 31. Become.

本発明の発明者は、微小管31が幅750〔nm〕のナノチャネル29内に進入する様子を、微小管31として蛍光微小管を使用することによって、図8に示されるように、可視化した。なお、蛍光微小管は、蛍光色素によってラベリングされた蛍光チューブリンと、蛍光色素によってラベリングされていないチューブリンとを適切な比で混合して重合することによって得ることができた。そして、図8は、15秒毎に撮影された連続写真であり、グライディングアッセイによるナノチャネル29内に微小管31が進入する様子を示している。   The inventors of the present invention visualized the appearance of the microtubule 31 entering the nanochannel 29 having a width of 750 [nm] by using a fluorescent microtubule as the microtubule 31, as shown in FIG. . The fluorescent microtubules could be obtained by mixing and polymerizing fluorescent tubulin labeled with a fluorescent dye and tubulin not labeled with a fluorescent dye in an appropriate ratio. FIG. 8 is a series of photographs taken every 15 seconds and shows a state in which the microtubule 31 enters the nanochannel 29 by the gliding assay.

この場合、図8(1)に示されるように、微小管31のマイナス端がナノチャネル29に入った後、15秒おきの連続写真を図8(6)まで、順に撮影した。なお、途中で微小管31の一部が切れているように見えるが、撮影に使用した対物レンズの焦点深度(0.2〔μm〕)を外れて微小管31が動いているためである。これは、キネシン32が、ガラス板22の上面だけでなく、PDMSから成る中央凸部28のナノチャネル29の側壁面にも付着して動いているので、微小管31がナノチャネル29の側壁面上を移動するからである。また、図8(7)には、複数のナノチャネル29内に微小管31が進入した様子が示されている。   In this case, as shown in FIG. 8 (1), after the minus end of the microtubule 31 entered the nanochannel 29, consecutive photographs were taken every 15 seconds until FIG. 8 (6). In addition, it seems that a part of the microtubule 31 is cut off in the middle, because the microtubule 31 is moved out of the focal depth (0.2 [μm]) of the objective lens used for photographing. This is because the kinesin 32 moves not only on the upper surface of the glass plate 22 but also on the side wall surface of the nanochannel 29 of the central convex portion 28 made of PDMS. This is because it moves up. FIG. 8 (7) shows a state in which the microtubule 31 has entered the plurality of nanochannels 29.

なお、図8に示される例において、写真の中央に見えるナノチャネル29は、長さが50〔μm〕、幅が500〜750〔nm〕、高さ(深さ)が4〔μm〕である。また、写真の左右に見えるMain channel(A)及び(B)としてのアクセスチャネル26a及び26bは、幅が300〔μm〕、高さ(深さ)が4〔μm〕である。   In the example shown in FIG. 8, the nanochannel 29 visible in the center of the photograph has a length of 50 [μm], a width of 500 to 750 [nm], and a height (depth) of 4 [μm]. . Further, the access channels 26a and 26b as the main channels (A) and (B) visible on the left and right of the photograph have a width of 300 [μm] and a height (depth) of 4 [μm].

また、本発明の発明者は、図9に示されるように、非蛍光の微小管31をナノチャネル29内に配向した状態で固定した後に、Main channel(B)としてのアクセスチャネル26bにキネシンビーズ36を導入し、前記ナノチャネル29内の微小管31上でビーズアッセイを行った。図9(1)は、キネシンビーズ36がナノチャネル29内に導入される状態を示す写真であり、また、図9(2)〜(4)は20秒毎に撮影された連続写真であり、キネシンビーズ36がナノチャネル29を搬送される様子を示している。   Further, as shown in FIG. 9, the inventor of the present invention fixed the non-fluorescent microtubule 31 in an aligned state in the nanochannel 29, and then attached the kinesin beads to the access channel 26 b as the main channel (B). 36 was introduced, and a bead assay was performed on the microtubule 31 in the nanochannel 29. FIG. 9 (1) is a photograph showing a state in which the kinesin beads 36 are introduced into the nanochannel 29, and FIGS. 9 (2) to (4) are continuous photographs taken every 20 seconds. A state in which the kinesin beads 36 are conveyed through the nanochannel 29 is shown.

この場合、キネシンビーズ36は、微小管31のアクセスチャネル26b側の一端(マイナス端)に付着した後、Main channel(A)としてのアクセスチャネル26a側(図9における左側)に向かって800〔nm/s〕の速度で移動した。すなわち、キネシンビーズ36が一方向に向かって搬送速度800〔nm/s〕で搬送されたことが確認された。これにより、ナノチャネル29内に微小管31が配向した状態で固定されたことが示された。   In this case, the kinesin bead 36 adheres to one end (minus end) on the access channel 26b side of the microtubule 31, and then reaches 800 [nm] toward the access channel 26a side (the left side in FIG. 9) as the main channel (A). / S]. That is, it was confirmed that the kinesin beads 36 were transported in one direction at a transport speed of 800 [nm / s]. Thereby, it was shown that the microtubules 31 were fixed in the nanochannel 29 in an oriented state.

このように、本実施の形態においては、生体分子モータとしてのキネシン32がコートされた基材としてのガラス板22上に形成された配向用チャネルとしてのナノチャネル29内にレール分子としての微小管31を移動させ、所定波長、すなわち、波長420〜500〔nm〕の光を照射することによってキネシン32を失活させることにより、微小管31をナノチャネル29内に固定するようになっている。この場合、微小管31は、マイナス端を先頭にしてナノチャネル29内に進入するので、所定の方向に配向されて固定される。そのため、試薬を使用することなく、容易に、確実に、微小管31を所定位置において所定方向に配向させて固定することができる。そのため、微小管31上を移動するキネシン32を所定の方向、すなわち、プラス端の方向に移動させることができる。   Thus, in the present embodiment, microtubules as rail molecules in nanochannels 29 as alignment channels formed on glass plate 22 as a substrate coated with kinesin 32 as a biomolecular motor. The microtubule 31 is fixed in the nanochannel 29 by moving 31 and inactivating the kinesin 32 by irradiating light of a predetermined wavelength, that is, a wavelength of 420 to 500 [nm]. In this case, since the microtubule 31 enters the nanochannel 29 with the minus end as the head, it is oriented and fixed in a predetermined direction. Therefore, the microtubule 31 can be fixed in a predetermined direction in a predetermined direction easily and reliably without using a reagent. Therefore, the kinesin 32 moving on the microtubule 31 can be moved in a predetermined direction, that is, in the plus end direction.

なお、本実施の形態においては、ナノチャネル29の形状が直線である場合についてのみ説明したが、ナノチャネル29の形状は、曲線であってもよいし、折れ線であってもよいし、いかなる形状であってもよい。さらに、前記ナノチャネル29の形状は、二次元的な曲線や折れ線でなく、三次元的な曲線や折れ線であってもよい。例えば、ガラス板22の面が平面でなく曲面であったり、また、ガラス板22の面に凹凸が形成されている場合、ナノチャネル29の形状を三次元方向に屈曲する曲線又は折れ線とすることができる。ナノチャネル29を形成するチャネル形成部材は、PDMSから成り、柔軟性があるので、曲面であったり、凹凸が形成されているガラス板22の面にも容易に付着させることができる。また、ナノチャネル29の長さも任意に設定することができる。これにより、固定された微小管31上をキネシン32によって搬送される搬送物の経路を、任意の長さで、任意の形状で、任意の場所を通過するように設定することができる。   In the present embodiment, only the case where the shape of the nanochannel 29 is a straight line has been described. However, the shape of the nanochannel 29 may be a curved line, a broken line, or any shape. It may be. Further, the shape of the nanochannel 29 may be a three-dimensional curve or a broken line instead of a two-dimensional curve or a broken line. For example, when the surface of the glass plate 22 is not a flat surface but a curved surface, or when the surface of the glass plate 22 is uneven, the shape of the nanochannel 29 is a curve or a broken line that bends in a three-dimensional direction. Can do. The channel forming member for forming the nanochannel 29 is made of PDMS and has flexibility, so that it can be easily attached to the surface of the glass plate 22 having a curved surface or unevenness. Moreover, the length of the nanochannel 29 can also be set arbitrarily. Thereby, the path | route of the conveyed product conveyed by the kinesin 32 on the fixed microtubule 31 can be set so that it may pass arbitrary places with arbitrary length and arbitrary shapes.

また、ナノチャネル29を形成するチャネル形成部材としての中央凸部28や周辺凸部27は、微小管31を固定した後で、ガラス板22上から除去することができる。すなわち、キネシン32は、ナノチャネル29の有無に係わらず、微小管31上を移動して搬送物を搬送するので、ナノチャネル29が存在しなくても、搬送物は固定された微小管31に沿って搬送される。   Further, the central convex portion 28 and the peripheral convex portion 27 as channel forming members for forming the nanochannel 29 can be removed from the glass plate 22 after the microtubule 31 is fixed. That is, since the kinesin 32 moves on the microtubule 31 and transports the transported object regardless of the presence or absence of the nanochannel 29, the transported object is fixed to the fixed microtubule 31 even if the nanochannel 29 is not present. Conveyed along.

そして、前述の方法によってガラス板22上に固定された微小管31と、該微小管31上をプラス端の方向に移動するキネシン32とによって、キネシンビーズ36のように微小な搬送物を搬送するためのナノ搬送デバイスを得ることができる。この場合、レール分子としての微小管31が所定の方向に配向されて固定されているので、微小管31の極性に応じた方向に移動する生体分子モータとしてのキネシン32によって、搬送物を所定の方向に搬送することができる。また、前述のように、微小管31を任意の長さで、任意の形状で、任意の場所を通過するように固定することができるので、前記ナノ搬送デバイスは、搬送物を任意の長さで、任意の形状で、任意の場所を通過する経路で搬送することができる。さらに、容易に、確実に、微小管31を所定位置において所定方向に配向させて固定することができるので、前記ナノ搬送デバイスを容易に、確実に、低コストで製造することができる。   Then, the microtubule 31 fixed on the glass plate 22 by the above-described method and the kinesin 32 that moves on the microtubule 31 in the plus end direction transport a micro-transport object like the kinesin bead 36. Can be obtained. In this case, since the microtubules 31 as rail molecules are oriented and fixed in a predetermined direction, the transported object is transferred to the predetermined by the kinesin 32 as a biomolecule motor that moves in a direction corresponding to the polarity of the microtubules 31. Can be conveyed in the direction. In addition, as described above, since the microtubule 31 can be fixed in any length, in any shape, and through any location, the nano-transport device allows a transported object to have any length. Thus, it can be transported in a path that passes through an arbitrary place in an arbitrary shape. Furthermore, since the microtubules 31 can be fixed in a predetermined direction in a predetermined direction easily and reliably, the nano-transport device can be manufactured easily, reliably, and at low cost.

また、レール分子としての微小管31複数本を、相互に平行に、かつ、同一方向に配向させて固定することによって、大型の搬送物であっても搬送することができる。すなわち、微小管31が1本の場合、例えば、縦5〔μm〕、横5〔μm〕、厚さ2〔μm〕の直方体程度の大きさの搬送物であれば搬送することができるが、それ以上大型の搬送物は搬送することができない。これに対し、複数本の微小管31を相互に平行に、かつ、同一方向に配向させて固定させた場合、搬送物に固定された複数のキネシン32が複数本の微小管31上を同一の方向に並行して移動することによって、大型の搬送物であっても搬送することができる。なお、搬送物が大型であっても、該搬送物をキネシン溶液に浸漬することによって、その表面に複数のキネシン32を固定することができる。これにより、例えば、縦5〔mm〕、横5〔mm〕、厚さ2〔μm〕の直方体程度の大きさの搬送物であっても搬送することができる。   Moreover, even if it is a large sized conveyance thing, it can be conveyed by fixing the microtubule 31 multiple pieces as a rail molecule | numerator so that it may mutually orientate in the same direction. That is, when there is one microtubule 31, for example, it can be transported if it is a transported object having a size of a rectangular parallelepiped having a length of 5 [μm], a width of 5 [μm], and a thickness of 2 [μm], Larger items cannot be conveyed. On the other hand, when a plurality of microtubules 31 are fixed in parallel with each other and oriented in the same direction, a plurality of kinesins 32 fixed to the conveyed product are identical on the plurality of microtubules 31. By moving in parallel in the direction, even a large transported object can be transported. In addition, even if a conveyed product is large sized, the several kinesin 32 can be fixed to the surface by immersing this conveyed product in a kinesin solution. Thereby, for example, a transported object having a size of a rectangular parallelepiped having a length of 5 [mm], a width of 5 [mm], and a thickness of 2 [μm] can be transported.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の実施の形態における微小管を固定するナノチャネルの母型を製造する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of manufacturing the matrix of the nanochannel which fixes a microtubule in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における微小管を固定するナノチャネルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the nanochannel which fixes the microtubule in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における微小管及びキネシンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the microtubule and kinesin in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における照射光の波長とキネシンの失活との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wavelength of the irradiation light in the embodiment of this invention, and the deactivation of kinesin. 本発明の実施の形態における光の照射時間と微小管の動きとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the irradiation time of the light and movement of a microtubule in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光の照射時間と微小管の動きとの関係を示す写真である。It is a photograph which shows the relationship between the irradiation time of the light and movement of a microtubule in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における微小管をナノチャネル内に固定する方法を示す図である。It is a figure which shows the method to fix the microtubule in embodiment of this invention in a nanochannel. 本発明の実施の形態におけるナノチャネル内に微小管が導入する様子を示す写真である。It is a photograph which shows a mode that a microtubule introduce | transduces in the nanochannel in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるナノチャネル内の微小管上を移動するビーズの様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the bead which moves on the microtubule in the nanochannel in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

21 PDMSフィルム
22 ガラス板
27 周辺凸部
28 中央凸部
29 ナノチャネル
31 微小管
32 キネシン
36 キネシンビーズ
21 PDMS film 22 Glass plate 27 Peripheral convex portion 28 Central convex portion 29 Nanochannel 31 Microtubule 32 Kinesin 36 Kinesin beads

Claims (10)

(a)極性を備え、該極性に応じた方向に生体分子モータが移動するレール分子を固定する方法であって、
(b)生体分子モータ含有溶液によりコーティングすることによって基材上に生体分子モータを付着させ、
(c)レール分子を導入し、ATPを与えることにより、前記生体分子モータによってレール分子を移動させ、
(d)前記基材上に形成された配向用チャネル内に前記レール分子を進入させ、該レール分子が所定位置に到達すると、所定波長の光を照射して前記生体分子モータを失活させることにより、前記レール分子を所定方向に配向させて固定することを特徴とするレール分子固定方法。
(A) A method of fixing a rail molecule having a polarity and moving a biomolecule motor in a direction corresponding to the polarity,
(B) attaching the biomolecule motor on the substrate by coating with a solution containing the biomolecule motor;
(C) by introducing a rail molecule and giving ATP, the biomolecule motor moves the rail molecule,
(D) The rail molecule enters the alignment channel formed on the substrate, and when the rail molecule reaches a predetermined position, the biomolecular motor is deactivated by irradiating with light of a predetermined wavelength. The rail molecule is fixed by aligning the rail molecules in a predetermined direction.
(a)前記基材上にチャネル形成部材を接合することによって、前記基材上に配向用チャネルを形成し、
(b)該配向用チャネルの一端から前記レール分子を前記配向用チャネル内に進入させ、
(c)該配向用チャネル内の所定位置に前記レール分子を固定する請求項1に記載のレール分子固定方法。
(A) forming a channel for alignment on the substrate by bonding a channel forming member on the substrate;
(B) allowing the rail molecules to enter the alignment channel from one end of the alignment channel;
(C) The rail molecule fixing method according to claim 1, wherein the rail molecule is fixed at a predetermined position in the orientation channel.
前記レール分子を固定した後、前記チャネル形成部材を除去する請求項2に記載のレール分子固定方法。 The rail molecule fixing method according to claim 2, wherein the channel forming member is removed after fixing the rail molecule. 前記レール分子は細胞骨格繊維である請求項1に記載のレール分子固定方法。 The rail molecule fixing method according to claim 1, wherein the rail molecule is a cytoskeleton fiber. 前記所定波長は420〜500〔nm〕である請求項1に記載のレール分子固定方法。 The rail molecule fixing method according to claim 1, wherein the predetermined wavelength is 420 to 500 [nm]. 前記光は60秒以上照射する請求項1に記載のレール分子固定方法。 The rail molecule fixing method according to claim 1, wherein the light is irradiated for 60 seconds or more. 複数本の前記レール分子を相互に平行に、かつ、同一方向に配向させて固定する請求項1に記載のレール分子固定方法。 The rail molecule fixing method according to claim 1, wherein the plurality of rail molecules are fixed parallel to each other and oriented in the same direction. 前記レール分子を曲線又は折れ線を形成するように固定する請求項1に記載のレール分子固定方法。 The rail molecule fixing method according to claim 1, wherein the rail molecule is fixed so as to form a curve or a broken line. (a)請求項1〜8のいずれか1項に記載のレール分子固定方法によって固定されたレール分子と、
(b)該レール分子上を該レール分子の極性に応じた方向に移動する生体分子モータとを有し、
(c)該生体分子モータが前記レール分子に沿って搬送物を搬送することを特徴とするナノ搬送デバイス。
(A) a rail molecule fixed by the rail molecule fixing method according to any one of claims 1 to 8, and
(B) a biomolecular motor that moves on the rail molecule in a direction corresponding to the polarity of the rail molecule;
(C) The nano-transport device, wherein the biomolecule motor transports a transport object along the rail molecule.
請求項1〜8のいずれか1項に記載のレール分子固定方法によって固定されたことを特徴とするナノ搬送デバイス用のレール分子。 A rail molecule for a nano transport device, which is fixed by the rail molecule fixing method according to any one of claims 1 to 8.
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